Redis设计与实现(压缩列表)

Redis为了节约内存而开发的压缩列表。

由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构。

一个压缩列表可以包含任意多个节点（entry），每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

压缩列表的构成

包含三个节点的压缩列表，如下图：

各部分详细说明

属性	类型	长度	用途
zlbytes	uint32_t	4 字节	记录整个压缩列表占用的内存字节数：在对压缩列表进行内存重分配，或者计算 zlend 的位置时使用。
zltail	uint32_t	4 字节	记录压缩列表表尾节点距离压缩列表的起始地址有多少个字节：通过这个偏移量，程序无须遍历整个压缩列表就可以确定表尾节点的地址。
zllen	uint16_t	2 字节	记录了压缩列表包含的节点数量：当这个属性的值小于 UINT16_MAX(65535) 时，这个属性的值就是压缩列表包含节点的数量；当这个值等于 UINT16_MAX 时，节点的真实数量需要遍历整个压缩列表才能计算得出。
entryX	列表节点	不定	压缩列表的各个节点，节点的长度由节点保存的内容决定。
zlend	uint8_t	1 字节	特殊值 0xFF （十进制 255），用于标记压缩列表的末端。

列表 zlbytes 属性的值为 0x50 （十进制80），表示压缩列表的总长为 80 字节。

列表 zltail 属性的值为 0x3c （十进制60），这表示如果我们有一个指向压缩列表起始地址的指针 p，那么只要用指针 p 加上偏移量 60 ，就可以计算出表尾节点 entry3 的地址。

列表 zllen 属性的值为 0x3 （十进制3），表示压缩列表包含三个节点。

节点的构成

每个压缩列表节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。

其中字节数组可以是以下三种长度的其中之一：

1. 长度小于等于 63（2^6 - 1）字节的字节数组；
2. 长度小于等于 16383（2^14 - 1）字节的字节数组；
3. 长度小于等于 4294967295（2^32 - 1）字节的字节数组；

整数值则可以是以下六种之一：

1. 4 位长，介于 0 至 12 之间的无符号整数；
2. 1 字节长的有符号整数；
3. 3 字节长的有符号整数；
4. int6_t 类型整数；
5. int32_t 类型整数；
6. int64_t 类型整数。

每个压缩列表节点都是由 previous_entry_length、encoding、content 三个部分组成，如下图：

previous_entry_length

节点的 previous_entry_length 属性以字节为单位，记录里压缩列表中前一个节点的长度。

属性的长度可以是 1 字节或者 5 字节：

如果前一节点的长度小于 254字节，那么 previous_entry_length 属性的长度为 1字节，前一节点的长度就保存在这一个字节中；

如果前一节点的长度大于等于 254字节，那么previous_entry_length 属性的长度为 5字节，其中属性中的第一个字节就会被设置为 0xFE（十进制 254），而之后的四个字节才是前一个节点的真正长度。

因为节点的previous_entry_length 属性记录了前一个节点的长度，所以程序可以通过指针运算，根据当前节点的起始地址来计算出前一个节点的起始地址。

压缩列表的从表尾向表头遍历操作就是使用这一原理实现的：只要我们拥有了一个指向某个节点起始地址的指针，那么通过这个指针以及这个节点的previous_entry_length 属性，程序就可以一直向前一个节点回溯，最终到达压缩列表的表头节点。

从表尾到表头节点遍历的过程（如下图）：

• 首先，我们拥有指向压缩列表表尾节点 entry4 起始地址的指针 p1 （指向表尾节点的指针可以通过指向压缩列表起始地址的指针加上 zltail 属性的值得出）；
• 通过用 p1 减去 entry4 节点previous_entry_length属性的值，我们得到一个指向 entry4前一节点 entry3起始地址的指针 p2；
• 通过用 p2 减去 entry3 节点previous_entry_length属性的值，我们得到一个指向 entry3前一节点 entry2起始地址的指针 p3；
• 通过用 p3 减去 entry2 节点previous_entry_length属性的值，我们得到一个指向 entry2前一节点 entry1起始地址的指针 p4，entry1为压缩列表的表头节点；
• 最后，我们从表尾节点向表头节点遍历了整个列表。

encoding

节点的 encoding 属性记录了节点的 content属性所保存数据的类型以及长度：

• 一字节、两字节或者五字节，值得最高位为 00、01或者 10的是字节数组编码：这种编码表示节点的 content 属性保存着字节数组，数组的长度由编码除去最高两位之后的其他位记录；
• 一字节长，值的最高位以 11 开头的是整数编码：这种编码表示节点的 content属性保存着整数值，整数值的类型和长度由编码除去最高两位之后的其他位记录；

字节数组编码

编码	编码长度	content 属性保存的值
00bbbbbb	1字节	长度小于等于 63字节的字节数组
01bbbbbb xxxxxxxx	2 字节	长度小于等于 16383 字节的字节数组
10______ aaaaaaaaa bbbbbbbb cccccccc	5 字节	长度小于等于 4294967295 的字节数组

整数编码

编码	编码长度	content属性保存的值
11000000	1 字节	int16_t类型的整数
11010000	1 字节	int32_t类型的整数
11100000	1 字节	int64_t类型的整数
11110000	1字节	24位有符号整数
11111110	1字节	8位有符号整数
1111xxxx	1字节	使用这一编码的节点没有 content属性，因为编码本身的 xxxx四个位已经保存了一个介于 0 和 12 之间的值，所以它无须 content 属性

content

节点的 content属性 负责保存节点的值，节点值可以是一个字节数组或者整数，值的类型和长度由节点的 encoding 属性决定。

保存字节数组的示例：

• 编码的最高两位 00 表示节点保存的是一个字节数组；
• 编码的后六位 001011 记录了字节数组的长度 11；
• content 属性保存着节点的值 hello world。

保存整数值的示例：

• 编码 11000000 表示节点保存的是一个 int16_t类型的整数值；
• content 属性保存着节点的值 10086。

连锁更新

前文提到每个节点的 previous_entry_length 属性都记录了前一节点的长度：

• 如果前一节点的长度小于 254 字节，那么 previous_entry_length 属性需要用 1 字节长的空间来保存这个长度值。
• 如果前一节点的长度大于等于 254 字节，那么 previous_entry_length 属性需要用 5 字节长的空间来保存这个长度值。

当出现这种情况时：在一个压缩列表中，有多个连续的、长度介于 250 字节到 253 字节之间的节点 e1 至 eN；

因为这连续部分节点的长度都是小于 254字节，所以记录这些节点的长度只需要 1 字节长的 previous_entry_length属性，这时，如果将一个长度大于等于 254 字节的新节点 设置为表头节点，也就是插入 e1 之前，那么，就比较麻烦了，因为 e1 的 previous_entry_length属性仅一个字节，没办法保存新节点的长度，这个时候就需要程序对压缩列表执行空间重分配操作，并将 e1节点的previous_entry_length属性长度从一个字节扩展到五个字节长。同时后面的节点 e2 也出现了同样的情况，需要扩展，然后后续节点需要依次扩展，程序就需要不断的对压缩列表进行空间重分配操作，直到能保存为止。这种情况被称为“连锁更新”。

下图展示了这一过程：

此外，除了新增节点会出现连锁更新之外，删除节点也会出现连锁更新。

连锁更新在最坏的情况下需要对压缩列表执行 N次空间重分配操作，而每次空间空分配的最坏复杂度是O(N)，所以连锁更新的最坏复杂度为O(N^2)。

尽管连锁更新的复杂度较高，但是真正造成性能问题的几率是很低的：

• 首先，压缩列表中恰好有多个连续的、长度介于 250 字节至 253 字节之间的节点，连锁更新才会被引发。
• 其次，即使出现了连锁更新，更新的节点数量不多，就不会对性能造成任何影响。

因此， ziplistPush 等命令的平均复杂度仅为 O(N)，在实际使用中，不需要担心连锁更新会影响到压缩列表的性能。

压缩列表所有的API

函数	作用	算法复杂度
ziplistNew	创建一个新的压缩列表。	O(1)
ziplistPush	创建一个包含给定值的新节点，并将这个新节点添加到压缩列表的表头或者表尾。	平均O(N)，最坏O(N^2)。
ziplistInsert	将包含给定值的新节点插入到给定节点之后。	平均O(N)，最坏O(N^2)。
ziplistIndex	返回压缩列表给定索引上的节点。	O(N)
ziplistFind	在压缩列表中查找并返回包含了给定值的节点。	因为节点的值可能是一个字节数组， 所以检查节点值和给定值是否相同的复杂度为 O(N)， 而查找整个列表的复杂度则为 O(N^2 。
ziplistNext	返回给定节点的下一个节点。	O(1)
ziplistPrev	返回给定节点的前一个节点。	O(1)
ziplistGet	获取给定节点所保存的值。	O(1)
ziplistDelete	从压缩列表中删除给定的节点。	平均O(N)，最坏O(N^2)。
ziplistDeleteRange	删除压缩列表在给定索引上的连续多个节点。	平均O(N)，最坏O(N^2)。
ziplistBlobLen	返回压缩列表目前占用的内存字节数。	O(1)
ziplistLen	返回压缩列表目前包含的节点数量。	节点数量小于 65535时 O(1)，大于 65535时O(N)。

其中 ziplistPush 、 ziplistInsert 、 ziplistDelete 和 ziplistDeleteRange 四个函数都有可能会引发连锁更新， 所以它们的最坏复杂度都是 O(N^2)。